【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴという）に係り、特に基板とコレクタ層との間に形成するサブコレクタ層を改善したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のＨＢＴ用エピタキシャル構造を示す。ＨＢＴ用エピタキシャル構造は、半絶縁ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓサブコレクタ層２、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層３、ｐ−ＧａＡｓベース層４、ｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層５、ｎ−ＧａＡｓエミッタキャップ層６、ｎ−ＩｎＧａＡｓグレーデッドエミッタキャップ層７、ｎ−ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層８から構成される。
【０００３】
ｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層５のＩｎ混晶比ｙは０．４８である。ｎ−ＩｎＧａＡｓグレーデッドエミッタキャップ層７は、下方から上方に向けてｌｎ混晶比ｙを０から０．５まで変化させている。最上部に形成されたｎ−ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層８のＩｎ混晶比は０．５である。
【０００４】
図３において、単位がｃｍ−３の数値は、ドーピングされた不純物の濃度を示し、以上の各層には、図３に表示された濃度のもとにｎ型あるいはｐ型の不純物がドーピングされている。また、単位がｎｍの数値は、エピタキシャル層の厚さを示している。
【０００５】
対応する各層にそれぞれコレクタ電極、ベース電極およびエミッタ電極が形成され、所定のＨＢＴが構成される。
【０００６】
以上の構成において、ベース層４とエミッタ層５の間に電圧を印加してこれを増加させると、コレクタ電極からの出力電流は、入力電流であるベース電流によって増幅される。このときの出力電流と入力電流の比が電流増幅率βあり、この電流増幅率βがＨＢＴにとって重要な特性となる。
【０００７】
ところで、ＨＢＴは、電流増幅率βを向上させること及び素子の信頼性を高めることが重要課題である。そのため多くの研究がおこなわれ、ＨＢＴの各層についても特性改善が試みられてきた。例えば、基板とサブコレクタ層との間に超格子構造層を形成したもの（特許文献１）、エミッタ層の上下にグレーデッド層を設け、これらの層に不純物のＳｉとＳｅをドープしたもの（特許文献２）、ＧａＡｓ基板とサブコレクタ層（コレクタコンタクト層）との間にＩｎプレーナドープ層を形成したもの（特許文献３）などがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１６４６０３号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−８５４４５号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開２０００−１２４４４４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した特許文献１〜３に記載されたものは、いずれも、高性能なパワー増幅を得るには未だ十分ではなく、電流増幅率βや素子の信頼性に改善の余地がある。
【００１２】
本発明の課題は、上述した要請に応えて、電流増幅率β及び素子信頼性を一層向上させることが可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ＧａＡｓ基板上に、サブコレクタ層、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層、ｐ−ＧａＡｓベース層、ｎ−ＩｎＧａＰ又はｎ−ＡｌＧａＡｓエミッタ層、ｎ−ＧａＡｓ層及びｎ−ＩｎＧａＡｓ層のエミッタキャップ層が順次形成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記サブコレクタ層がｎ−ＩｎＧａＰで形成されて構成されていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタである。
【００１４】
最近の研究で、電流増幅率β特性の悪くなる原因の一つとして、ＨＢＴエピタキシャル層の最下層にあるｎ−ＧａＡｓサブコレクタ層の結晶質に問題があることが分かってきた。サブコレクタ層は、ＨＢＴ用エピタキシャル層を成長する際、最初に成長する層である。この層の結晶質が悪く、多くの結晶欠陥が発生してしまった場合は、その欠陥がコレクタ層、ベース層、エミッタ層の順に上層へと伝播してしまい、特性が悪くなる。第１の発明のように、サブコレクタ層をｎ−ＧａＡｓ層ではなく、ｎ−ＩｎＧａＰ層に代えると、結晶欠陥の少ないサブコレクタ層が得られ、特性が良好になる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、前記ｎ−ＩｎＧａＰサブコレクタ層のＩｎ混晶比の範囲が０．４から０．６であることを特徴とする。サブコレクタ層のＩｎ混晶比の範囲を０．４から０．６とすると、より特性が良好になる。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、前記ｎ−ＩｎＧａＰサブコレクタ層のキャリア濃度が１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３であることを特徴とする。サブコレクタ層のキャリア濃度を１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３とすると、より特性が良好になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す。
【００１９】
図において、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、コレクタの抵抗を低減させるためのサブコレクタ層９と、コレクタ層３とが積層されている。上記サブコレクタ層９は厚さ５００ｎｍ、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３で、Ｉｎ混晶比ｙを０．４８としたｎ−ＩｎＧａＰ層から構成されている。また、上記コレクタ層３は厚さ１０００ｎｍ、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０１６ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓ層から構成されている。
【００２０】
上記コレクタ層３上には、厚さ８０ｎｍ、Ｃ（カーボン）ドープによるキャリア濃度が４×１０１９ｃｍ−３のｐ−ＧａＡｓベース層４が形成され、その上にはエミッタ層５が形成されている。
【００２１】
エミッタ層５は、厚さ４０ｎｍ、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３で、Ｉｎ混晶比ｙを０．４８としたｎ−ＩｎＧａＰ層から構成されている。このエミッタ層５の上にオーミックコンタクト抵抗を低減させるための３つのエミッタキャップ層が順に積層されている。第１のエミッタキャップ層６は、厚さ１００ｎｍ、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓ層で構成されている。第２のエミッタキャップ層７は、厚さ５０ｎｍ、Ｓｅドープによるキャリア濃度２×１０１９ｃｍ−３で、下方から上方に向けてｌｎ混晶比ｙを０〜０．５まで変化させたｎ−ＩｎＧａＡｓグレーデッド層から構成されている。そして、最上部の第３のエミッタキャップ層８は、厚さ５０ｎｍ、Ｓｅドープによるキャリア濃度２×１０１９ｃｍ−３で、Ｉｎ混晶比ｙを０．５と高くして、ここに形成される電極との接触抵抗を低減するｎ−ＩｎＧａＡｓ層で構成されている。
【００２２】
前述したようにサブコレクタ層９は、特に、ｎ−ＧａＡｓ層ではなくｎ−Ｉｎ０．４８ＧａＰ層で形成している。また、サブコレクタ層９のＩｎ混晶比は、ＧａＡｓ基板１と格子定数が合う０．４８とし、キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３としている。このｎ−ＩｎＧａＰサブコレクタ層９を成長するために、原料としてトリエチルガリウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ）、トリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ、フォスフィン（ＰＨ３））を使用した。また、ドーパントガスとしてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用した。
【００２３】
上記サブコレクタ層９、ベース層４およびエミッタキャップ層８には、電極形成のためのエッチング加工を施した後、それぞれコレクタ電極、ベース電極およびエミッタ電極を形成し、これによって所定のＨＢＴを構成した（各電極は図示せず）。
【００２４】
図２及び図４に、実施の形態と従来例とのＨＢＴの通電時間と電流増幅率βの変動を比較して示す。ここで従来例のＨＢＴとは、サブコレクタ層をｎ−ＧａＡｓ層で構成したものである。実施の形態によるＨＢＴの電流増幅率βの低下率は、通電時間６００時間で９５％、２０００時間でも９０％である。これに対して、従来例のものは、通電時間が増えるに従い電流増幅率βが大幅に低下しており、低下率は通電時間６００時間で４４％であった。これより、従来例では電流増幅率βが１００〜１１０程度であったものが、実施の形態では１７０〜１８０もあり、電流増幅率βが大幅に改善されていることがわかった。従って、実施の形態によれば、通電時間の増加とともに、高い電流増幅率βを維持でき、素子の信頼性も向上するから、より高性能なパワー増幅を得たいという技術要請に応えることができる。
【００２５】
なお、実施の形態では、ｎ−ＩｎＧａＰサブコレクタ層のＩｎ混晶比ｙは、ＧａＡｓ基板の格子定数が合うように０．４８とした。しかし０．４〜０．６の範囲では、実施の形態のＩｎ混晶比０．４８と殆ど変わらないことがわかった。もっとも、Ｉｎ混晶比がＧａＡｓ基板の格子定数と大きくずれると電流増幅率β、素子信頼性ともに、かえって悪くなることもわかった。また、従来例のようにサブコレクタ層をｎ−ＧａＡｓ層で構成した場合、キャリア濃度が高くなるに従い素子の信頼性が悪くなることから、サブコレクタ層の抵抗を下げることが出来なかった。しかし実施の形態のように、サブコレクタ層をｎ−ＩｎＧａＰ層で構成した場合は、キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３に限定されることなく、１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲で、電流増幅率β及び素子の信頼性とも変化なく、ともに高いことが分かった。このようにＩｎＧａＡｓＰ層は成長条件によりΔＥＣが小さくなる結果として、ＧａＡｓ層と比べて、コレクタのコンタクト抵抗を小さくすることができる。
【００２６】
なお、実施の形態では、エミッタ層をｎ−ＩｎＧａＰで形成したＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴで行ったが、エミッタ層をＡｌＧａＡｓで形成したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴでも同様な効果がある。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、サブコレクタ層をｎ−ＩｎＧａＰで形成したので、電流増幅率β、及び素子の信頼性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態によるＨＢＴ用のエピタキシャル構造を示す図である。
【図２】実施の形態によるＨＢＴの信頼性（通電時間と電流増幅率βの関係）を示す説明図である。
【図３】従来例のＨＢＴエピタキシャル構造を示す図である。
【図４】従来例のＨＢＴの信頼性（通電時間と電流増幅率βの関係）を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
３ コレクタ層
４ ベース層
５ エミッタ層
６〜８ エミッタキャップ層
９ サブコレクタ層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor (hereinafter, referred to as an HBT), and more particularly to an improved HBT having a subcollector layer formed between a substrate and a collector layer.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows a conventional epitaxial structure for HBT. The epitaxial structure for the HBT includes an n-GaAs sub-collector layer 2, an n-GaAs collector layer 3, a p-GaAs base layer 4, an n-InGaP emitter layer 5, and an n-GaAs emitter cap layer 6 on a semi-insulating GaAs substrate 1. , N-InGaAs graded emitter cap layer 7 and n-InGaAs emitter cap layer 8.
[0003]
The In mixed crystal ratio y of the n-InGaP emitter layer 5 is 0.48. The n-InGaAs graded emitter cap layer 7 changes the ln mixed crystal ratio y from 0 to 0.5 from below to above. The In mixed crystal ratio of the n-InGaAs emitter cap layer 8 formed at the top is 0.5.
[0004]
In FIG. 3, the numerical value in units of cm −3 indicates the concentration of the doped impurity. Each of the above layers is doped with an n-type or p-type impurity based on the concentration shown in FIG. 3. I have. The numerical value in the unit of nm indicates the thickness of the epitaxial layer.
[0005]
A collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode are respectively formed on the corresponding layers, and a predetermined HBT is configured.
[0006]
In the above configuration, when a voltage is applied between the base layer 4 and the emitter layer 5 to increase the voltage, the output current from the collector electrode is amplified by the base current as the input current. The ratio between the output current and the input current at this time is the current amplification factor β, and this current amplification factor β is an important characteristic for the HBT.
[0007]
Incidentally, it is important for the HBT to improve the current amplification factor β and increase the reliability of the element. For this reason, many studies have been made, and attempts have been made to improve the characteristics of each layer of the HBT. For example, a structure in which a superlattice structure layer is formed between a substrate and a subcollector layer (Patent Document 1), a structure in which graded layers are provided above and below an emitter layer, and these layers are doped with impurities Si and Se ( (Patent Document 2), and a device in which an In planar doped layer is formed between a GaAs substrate and a subcollector layer (collector contact layer) (Patent Document 3).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2000-164603 A
[Patent Document 2]
JP 2001-85445 A
[Patent Document 3]
JP 2000-124444 A
[Problems to be solved by the invention]
However, none of those described in Patent Documents 1 to 3 described above is still sufficient to obtain high-performance power amplification, and there is room for improvement in the current amplification factor β and the reliability of the element.
[0012]
An object of the present invention is to provide a heterojunction bipolar transistor which can further improve the current amplification factor β and the device reliability in response to the above-mentioned demand.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, an emitter cap layer including a sub-collector layer, an n-GaAs collector layer, a p-GaAs base layer, an n-InGaP or n-AlGaAs emitter layer, an n-GaAs layer, and an n-InGaAs layer is formed on a GaAs substrate. Are sequentially formed, wherein the subcollector layer is formed of n-InGaP.
[0014]
Recent research has revealed that one of the causes of the deterioration of the current gain β characteristic is a problem in the crystallinity of the n-GaAs subcollector layer at the bottom of the HBT epitaxial layer. The subcollector layer is a layer that grows first when growing the HBT epitaxial layer. If the crystallinity of this layer is poor and many crystal defects occur, the defects propagate to the upper layer in the order of the collector layer, the base layer, and the emitter layer, and the characteristics are deteriorated. When the sub-collector layer is replaced with an n-InGaP layer instead of an n-GaAs layer as in the first invention, a sub-collector layer with few crystal defects is obtained, and the characteristics are improved.
[0015]
According to a second invention, in the first invention, the n-InGaP subcollector layer has an In mixed crystal ratio in a range of 0.4 to 0.6. When the range of the In mixed crystal ratio of the subcollector layer is set to 0.4 to 0.6, the characteristics become more excellent.
[0016]
A third invention is characterized in that in the first invention or the second invention, the carrier concentration of the n-InGaP subcollector layer is 1 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3 . When the carrier concentration of the subcollector layer is set to 1 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3 , the characteristics are further improved.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0018]
FIG. 1 shows the structure of an epitaxial wafer for an InGaAs / GaAs HBT.
[0019]
In the figure, a sub-collector layer 9 for reducing the resistance of the collector and a collector layer 3 are laminated on a semi-insulating GaAs substrate 1. The subcollector layer 9 is made of an n-InGaP layer having a thickness of 500 nm, a carrier concentration of 5 × 10 18 cm −3 by Si doping, and an In mixed crystal ratio y of 0.48. The collector layer 3 is formed of an n-GaAs layer having a thickness of 1000 nm and a carrier concentration of 5 × 10 16 cm −3 by Si doping.
[0020]
On the collector layer 3, a p-GaAs base layer 4 having a thickness of 80 nm and a carrier concentration of 4 × 10 19 cm −3 by C (carbon) doping is formed, and an emitter layer 5 is formed thereon. I have.
[0021]
The emitter layer 5 is formed of an n-InGaP layer having a thickness of 40 nm, a carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 by Si doping, and an In mixed crystal ratio y of 0.48. On this emitter layer 5, three emitter cap layers for reducing ohmic contact resistance are sequentially laminated. The first emitter cap layer 6 is formed of an n-GaAs layer having a thickness of 100 nm and a carrier concentration of 5 × 10 18 cm −3 by Si doping. The second emitter cap layer 7 has a thickness of 50 nm, a carrier concentration of 2 × 10 19 cm −3 by Se doping, and an n − in which the ln mixed crystal ratio y is changed from 0 to 0.5 from below to above. It is composed of an InGaAs graded layer. The uppermost third emitter cap layer 8 is formed here with a thickness of 50 nm, a carrier concentration of 2 × 10 19 cm −3 by Se doping, and a high In mixed crystal ratio y of 0.5. And an n-InGaAs layer for reducing the contact resistance with the electrode.
[0022]
As described above, the sub-collector layer 9 is formed not of an n-GaAs layer but of an n-In 0.48 GaP layer. The In collector crystal ratio of the subcollector layer 9 is set to 0.48, which matches the lattice constant of the GaAs substrate 1, and the carrier concentration is set to 5 × 10 18 cm −3 . To grow the n-InGaP subcollector layer 9, using triethyl gallium as a raw material ((C 2 H 5) 3 Ga), trimethyl indium ((CH 3) 3 In, phosphine (PH 3)). Disilane (Si 2 H 6 ) was used as a dopant gas.
[0023]
The sub-collector layer 9, the base layer 4, and the emitter cap layer 8 were subjected to etching processing for forming electrodes, and thereafter, a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode were respectively formed, thereby forming a predetermined HBT. (Each electrode is not shown).
[0024]
FIG. 2 and FIG. 4 show a comparison between the HBT conduction time and the variation of the current amplification factor β between the embodiment and the conventional example. Here, the conventional HBT is one in which the subcollector layer is formed of an n-GaAs layer. The reduction rate of the current amplification factor β of the HBT according to the embodiment is 95% for 600 hours of energization time and 90% for 2000 hours. On the other hand, in the case of the conventional example, the current amplification factor β significantly decreased as the energizing time increased, and the decreasing rate was 44% when the energizing time was 600 hours. From this, the current amplification factor β was about 100 to 110 in the conventional example, but was 170 to 180 in the embodiment, and it was found that the current amplification factor β was greatly improved. Therefore, according to the embodiment, a high current amplification factor β can be maintained with an increase in the energization time, and the reliability of the element is also improved. Therefore, it is possible to meet a technical demand for obtaining a higher performance power amplification. .
[0025]
In the embodiment, the In mixed crystal ratio y of the n-InGaP subcollector layer is set to 0.48 so that the lattice constant of the GaAs substrate matches. However, it was found that in the range of 0.4 to 0.6, there was almost no difference from the In mixed crystal ratio of 0.48 in the embodiment. However, it was also found that if the In mixed crystal ratio greatly deviates from the lattice constant of the GaAs substrate, both the current amplification factor β and the device reliability deteriorate rather. Further, when the sub-collector layer is formed of an n-GaAs layer as in the conventional example, the reliability of the device deteriorates as the carrier concentration increases, so that the resistance of the sub-collector layer cannot be reduced. However, when the subcollector layer is formed of an n-InGaP layer as in the embodiment, the carrier concentration is not limited to 5 × 10 18 cm −3 , but 1 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −. In the range of 3 , it was found that the current amplification factor β and the reliability of the element did not change and both were high. As described above, as a result of the decrease in ΔEC depending on the growth conditions, the contact resistance of the collector of the InGaAsP layer can be reduced as compared with the GaAs layer.
[0026]
In the embodiment, an InGaP / GaAs-based HBT in which the emitter layer is formed of n-InGaP is used. However, a similar effect can be obtained by using an AlGaAs / GaAs-based HBT in which the emitter layer is formed of AlGaAs.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the sub-collector layer is formed of n-InGaP, the current amplification factor β and the reliability of the element can be significantly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an epitaxial structure for an HBT according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the reliability (relation between energization time and current amplification factor β) of the HBT according to the embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a conventional HBT epitaxial structure.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the reliability (relationship between conduction time and current amplification factor β) of a conventional HBT.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 semi-insulating GaAs substrate 3 collector layer 4 base layer 5 emitter layer 6 to 8 emitter cap layer 9 sub-collector layer
